飞行器气动/控制一体化机动飞行的数值模拟研究
发布时间：2022-01-11 20:02
现代先进飞行器追求大攻角快速机动能力,以迅速改变机头指向,取得有利的作战姿势。然而,飞行器在大攻角飞行或快速机动时,气动力呈现强烈的非线性、非定常特征。如何在机动布局设计时就考虑气动力非定常效应的影响,或者在控制系统设计中进行有效的补偿,没有形成统一的指导准则。发展飞行器气动/控制一体化机动飞行的数值模拟技术,通过建立非定常流场求解、飞行器运动和飞行控制一体化的耦合模拟方法,可实时模拟飞行器的机动过程。由于充分考虑了气动力非定常效应（包括非定常流动、飞行器运动、控制舵偏转等）对控制系统的影响,特别适用于研究飞行器大攻角飞行或快速机动时的非定常气动力现象,评估非定常气动力作用下的控制系统性能。对缩短飞行器研制周期,减少对飞行试验的依赖具有重要意义。本文针对飞行器气动/控制一体化机动飞行数值模拟的五个方面的关键技术开展研究,发展了非定常流动的数值模拟方法,建立了动态重叠网格技术、六自由度耦合运动模拟技术,发展了以谐波平衡法为基础的动导数快速预测技术,建立了CFD与PID控制器的耦合模拟技术,最终形成飞行器气动/控制一体化机动飞行数值模拟的方法体系和软件平台。以方形截面飞行器为研究对象,开展...
【文章来源】：中国空气动力研究与发展中心四川省
【文章页数】：235 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
飞行器大攻角飞行时的分离流场结构
学位论文 飞行器气动/控制一体化机动飞行的数值及控制系统的评估问题，美国阿诺德工程发展中心（AEDC）在 9拟飞行试验技术（Virtual Flight Test）[7-9]的概念，力图在地面风洞器在大气环境中的真实飞行过程。试验过程中，将模型安装在一撑系统上，该系统允许试验模型自由转动。自动驾驶仪（Autopilot，控制指令传输到控制作动器（Control Actuator），控制作动器启控制作动器运动而改变飞行姿态。风洞数据采集系统（Data Ater）实时采集飞行器运动过程中的动态气动力，并由传感器（Sens飞行姿态，以上信息反馈给自动驾驶仪。自动驾驶仪更新控制指令作动器，如此循环往复，模型就在风洞中虚拟“飞行”[4,5]，实现了对程的模拟。通过这种地面模拟试验就可一体化地验证和评估气动布的设计性能。
图 1.3AEDC 风洞虚拟飞行试验现场风洞虚拟飞行试验在蓬勃发展的同时，自身也存在难以克服的困难。首先，由于风洞试验段尺寸的限制，只能以缩比模型进行风洞试验，因而必须满足相似准则，得到的试验数据才能应用于真实飞行器，但风洞试验的马赫数和雷诺数均有一定的限制，难以实现所有的相似参数与实际飞行的一致性[24]。其次，风洞支撑系统目前只支持三个方向的自由转动，限制了三个方向的平移运动，或只能进行限定范围内的平移运动，且风洞试验的马赫数是固定的，因而难以模拟变速度机动飞行，而真实的过失速机动动作，如“眼镜蛇”机动等，往往伴随着前飞速度迅速减小的问题。最后，虚拟飞行试验的技术复杂，实现难度很高，并且在超声速和高超声速风洞中，由于缩比模型难以安装舵面等操纵机构，一般只能进行不耦合控制律的虚拟飞行试验。为了克服风洞虚拟飞行试验中存在的不利因素，数值虚拟飞行（Virtual FlightSimulation）的概念被提出。它是指耦合了 CFD 数值模拟方法，飞行力学和飞行控制、结构动力学等多学科、一体化的耦合模拟技术。以俯仰姿态控制为例，其具体实现过程为（图 1.4）：首先，飞行器的实际飞行姿态与目标值进行比较，产生误差信号，控制器根据误差信号产生控制信号（舵面偏转量）；然后，应用动网格
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于非线性谐波法的跨声速压气机确定应力建模[J]. 赵军,刘宝杰. 航空动力学报. 2015(10)
[2]用于非定常流动的谐波平衡方法研究[J]. 马灿,苏欣荣,袁新. 工程热物理学报. 2015(04)
[3]飞行器气动/飞行/控制一体化耦合模拟技术[J]. 李锋,杨云军,刘周,豆国辉,周伟江. 空气动力学学报. 2015(02)
[4]基于时间谱方法的飞行器动导数高效计算技术[J]. 谢立军,杨云军,刘周,周伟江. 航空学报. 2015(06)
[5]虚拟飞行中气动、运动和控制耦合的数值模拟技术[J]. 张来平,马戎,常兴华,赵钟,赫新. 力学进展. 2014(00)
[6]2.4m×2.4m跨声速风洞虚拟飞行试验天平研制[J]. 向光伟,谢斌,赵忠良,王超,王杰. 实验流体力学. 2014(01)
[7]谐波平衡法在动导数快速预测中的应用研究[J]. 陈琦,陈坚强,袁先旭,谢昱飞. 力学学报. 2014(02)
[8]谐波平衡法在旋翼前飞绕流数值模拟中的应用研究[J]. 许建华,宋文萍,王龙. 空气动力学学报. 2013(05)
[9]谐波平衡法在非定常流场中的应用[J]. 陈琦,陈坚强,谢昱飞,袁先旭. 航空学报. 2014(03)
[10]风洞虚拟飞行试验控制系统设计[J]. 陈星阳,郑鵾鹏. 弹箭与制导学报. 2013(06)
博士论文
[1]风洞虚拟飞行试验相似准则和模拟方法研究[D]. 李浩.中国空气动力研究与发展中心 2012
[2]飞行器多自由度耦合摇滚运动数值模拟研究[D]. 杨小亮.国防科学技术大学 2012
[3]双三角翼非定常分离流动的数值模拟研究[D]. 陈亮中.中国空气动力研究与发展中心 2009
[4]基于非结构网格方法的重叠网格算法研究[D]. 田书玲.南京航空航天大学 2008
硕士论文
[1]螺旋桨/机翼气动干扰的数值模拟研究[D]. 白方兵.南京航空航天大学 2014
[2]重叠网格技术及在复杂弹箭流场中的应用[D]. 唐振华.南京理工大学 2010
[3]风洞虚拟飞行试验中的飞行力学与控制问题研究[D]. 吕光男.南京航空航天大学 2009
[4]飞行器俯仰运动及其舵面控制数值模拟研究[D]. 陈琦.中国空气动力研究与发展中心 2009
[5]采用滑移网格的二维非定常NS方程数值计算[D]. 周瑜.中国空气动力研究与发展中心 2009
[6]多种多块网格生成技术在复杂流动数值模拟中的应用[D]. 郝海兵.西北工业大学 2007
[7]重叠网格自动处理技术及其应用[D]. 庞宇飞.国防科学技术大学 2005
本文编号：3583376
【文章来源】：中国空气动力研究与发展中心四川省
【文章页数】：235 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
飞行器大攻角飞行时的分离流场结构
学位论文 飞行器气动/控制一体化机动飞行的数值及控制系统的评估问题，美国阿诺德工程发展中心（AEDC）在 9拟飞行试验技术（Virtual Flight Test）[7-9]的概念，力图在地面风洞器在大气环境中的真实飞行过程。试验过程中，将模型安装在一撑系统上，该系统允许试验模型自由转动。自动驾驶仪（Autopilot，控制指令传输到控制作动器（Control Actuator），控制作动器启控制作动器运动而改变飞行姿态。风洞数据采集系统（Data Ater）实时采集飞行器运动过程中的动态气动力，并由传感器（Sens飞行姿态，以上信息反馈给自动驾驶仪。自动驾驶仪更新控制指令作动器，如此循环往复，模型就在风洞中虚拟“飞行”[4,5]，实现了对程的模拟。通过这种地面模拟试验就可一体化地验证和评估气动布的设计性能。
图 1.3AEDC 风洞虚拟飞行试验现场风洞虚拟飞行试验在蓬勃发展的同时，自身也存在难以克服的困难。首先，由于风洞试验段尺寸的限制，只能以缩比模型进行风洞试验，因而必须满足相似准则，得到的试验数据才能应用于真实飞行器，但风洞试验的马赫数和雷诺数均有一定的限制，难以实现所有的相似参数与实际飞行的一致性[24]。其次，风洞支撑系统目前只支持三个方向的自由转动，限制了三个方向的平移运动，或只能进行限定范围内的平移运动，且风洞试验的马赫数是固定的，因而难以模拟变速度机动飞行，而真实的过失速机动动作，如“眼镜蛇”机动等，往往伴随着前飞速度迅速减小的问题。最后，虚拟飞行试验的技术复杂，实现难度很高，并且在超声速和高超声速风洞中，由于缩比模型难以安装舵面等操纵机构，一般只能进行不耦合控制律的虚拟飞行试验。为了克服风洞虚拟飞行试验中存在的不利因素，数值虚拟飞行（Virtual FlightSimulation）的概念被提出。它是指耦合了 CFD 数值模拟方法，飞行力学和飞行控制、结构动力学等多学科、一体化的耦合模拟技术。以俯仰姿态控制为例，其具体实现过程为（图 1.4）：首先，飞行器的实际飞行姿态与目标值进行比较，产生误差信号，控制器根据误差信号产生控制信号（舵面偏转量）；然后，应用动网格
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于非线性谐波法的跨声速压气机确定应力建模[J]. 赵军,刘宝杰. 航空动力学报. 2015(10)
[2]用于非定常流动的谐波平衡方法研究[J]. 马灿,苏欣荣,袁新. 工程热物理学报. 2015(04)
[3]飞行器气动/飞行/控制一体化耦合模拟技术[J]. 李锋,杨云军,刘周,豆国辉,周伟江. 空气动力学学报. 2015(02)
[4]基于时间谱方法的飞行器动导数高效计算技术[J]. 谢立军,杨云军,刘周,周伟江. 航空学报. 2015(06)
[5]虚拟飞行中气动、运动和控制耦合的数值模拟技术[J]. 张来平,马戎,常兴华,赵钟,赫新. 力学进展. 2014(00)
[6]2.4m×2.4m跨声速风洞虚拟飞行试验天平研制[J]. 向光伟,谢斌,赵忠良,王超,王杰. 实验流体力学. 2014(01)
[7]谐波平衡法在动导数快速预测中的应用研究[J]. 陈琦,陈坚强,袁先旭,谢昱飞. 力学学报. 2014(02)
[8]谐波平衡法在旋翼前飞绕流数值模拟中的应用研究[J]. 许建华,宋文萍,王龙. 空气动力学学报. 2013(05)
[9]谐波平衡法在非定常流场中的应用[J]. 陈琦,陈坚强,谢昱飞,袁先旭. 航空学报. 2014(03)
[10]风洞虚拟飞行试验控制系统设计[J]. 陈星阳,郑鵾鹏. 弹箭与制导学报. 2013(06)
博士论文
[1]风洞虚拟飞行试验相似准则和模拟方法研究[D]. 李浩.中国空气动力研究与发展中心 2012
[2]飞行器多自由度耦合摇滚运动数值模拟研究[D]. 杨小亮.国防科学技术大学 2012
[3]双三角翼非定常分离流动的数值模拟研究[D]. 陈亮中.中国空气动力研究与发展中心 2009
[4]基于非结构网格方法的重叠网格算法研究[D]. 田书玲.南京航空航天大学 2008
硕士论文
[1]螺旋桨/机翼气动干扰的数值模拟研究[D]. 白方兵.南京航空航天大学 2014
[2]重叠网格技术及在复杂弹箭流场中的应用[D]. 唐振华.南京理工大学 2010
[3]风洞虚拟飞行试验中的飞行力学与控制问题研究[D]. 吕光男.南京航空航天大学 2009
[4]飞行器俯仰运动及其舵面控制数值模拟研究[D]. 陈琦.中国空气动力研究与发展中心 2009
[5]采用滑移网格的二维非定常NS方程数值计算[D]. 周瑜.中国空气动力研究与发展中心 2009
[6]多种多块网格生成技术在复杂流动数值模拟中的应用[D]. 郝海兵.西北工业大学 2007
[7]重叠网格自动处理技术及其应用[D]. 庞宇飞.国防科学技术大学 2005
本文编号：3583376
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